Application Spotlight : l'impression 3D révolutionne la conception et la production de roulements

[Crédit image : Bowman Additive Production]

Cette semaine, nous continuons notre série Application Spotlight en examinant les roulements, composants critiques utilisés pour réduire la friction entre pièces métalliques en mouvement.

Dans cet article, nous plongerons dans les avantages que l'impression 3D apporte à la conception et la production de roulements, et explorerons comment les fabricants de roulements utilisent ces avantages pour produire des composants radicalement nouveaux.

Jetez un œil aux autres applications couvertes dans cette série :

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Qu'est-ce qu'un roulement ?

Les roulements jouent un rôle crucial dans les applications de mouvement.

Ces dispositifs ronds, semblables à des roues, sont conçus pour supporter des charges et réduire dramatiquement la friction entre deux pièces en mouvement. En plaçant un roulement entre des composants qui bougent l'un par rapport à l'autre, les pièces roulent sur le roulement au lieu de glisser, maintenant la friction au minimum.

Les roulements à billes sont parmi les types les plus courants. Ils consistent généralement en trois éléments essentiels : une bague intérieure lisse, une bague extérieure lisse, des éléments roulants tels que billes ou cylindres, et une cage qui maintient les rouleaux espacés. Les éléments roulants supportent la charge, permettant au roulement de tourner librement.

Les roulements sont omniprésents dans les industries — des moteurs automobiles et systèmes de direction aux turbines d'avions, lignes d'assemblage et équipements médicaux. Les fabricants cherchent continuellement des moyens de fournir des solutions sur mesure et d'améliorer les performances, et la fabrication additive est devenue un levier clé.

Les avantages de l'impression 3D pour les roulements

Complexité de conception accrue

L'impression 3D débloque la capacité d'intégrer une géométrie complexe dans les composants de roulement, se traduisant directement par une performance supérieure. Bowman International, un fabricant de roulements basé au Royaume-Uni, a exploité cet avantage pour redessiner une cage qui accueille 45 % de rouleaux de plus, prolongeant ainsi la durée de vie du roulement. La flexibilité de la fabrication additive permet également de produire des cages en polymères flexibles, permettant un enroulement sans couture autour des arbres.

Poids réduit

En employant des architectures en treillis ou nid d'abeille, l'impression 3D permet aux concepteurs de réduire le poids sans sacrifier la résistance — une tâche laborieuse avec l'usinage CNC. Les cages peuvent être imprimées en nylon ou matériaux composites au lieu d'acier, réduisant la masse et diminuant simultanément l'usure des éléments roulants.

Coûts d'outillage éliminés

La production traditionnelle de roulements peut engendrer des coûts d'outillage de 40 000 £ à 60 000 £ par jeu, rendant les séries de petite à moyenne taille prohibitivement chères. La fabrication additive contourne l'outillage entièrement, permettant aux fabricants de produire des cages sur mesure à la demande et de concurrencer sur le prix pour des lots limités.

Exemples de roulements imprimés en 3D

Rollertrain™ de Bowman : cage de roulement pour roulements à rouleaux fendus

Bowman Additive Production, la branche fabrication additive de Bowman International — un fabricant leader de roulements et composants frittés — affine les conceptions de cages par impression 3D depuis des années.

Le résultat est Rollertrain™ : une cage de roulement fendu brevetée qui intègre un treillis à emboîtement, permettant jusqu'à 45 % de rouleaux de plus que les cages conventionnelles. La conception répartit les charges sur un plus grand nombre d'éléments roulants, augmentant la capacité de charge de 30-40 % et triplant la durée de vie de la cage.

Bien que le coût de production des cages Rollertrain™ soit comparable aux cages en acier traditionnelles, la performance et la longévité améliorées en font un choix supérieur. La cage est maintenant utilisée dans le roulement fendu JHB de John Handley Bearings, qui atteint des gains de capacité radiale jusqu'à 70 % et des améliorations de capacité axiale de 1 000 % — les chiffres les plus élevés enregistrés pour les roulements fendus dans le monde.

Bien que l'impression 3D ne remplace pas les méthodes conventionnelles pour chaque type de roulement, elle est déjà devenue la voie de fabrication de référence pour les roulements fendus.

Cages de roulement plus légères pour un catamaran de luxe

L'entreprise d'ingénierie Scheurer Swiss a fusionné la fabrication additive avec des composites en fibre de carbone pour créer des cages de roulement plus légères et plus efficaces pour le Moonwave, un catamaran de luxe privé. Les roulements à billes de direction nécessitaient des cages à la fois légères et robustes.

En utilisant du polyamide-12 (PA12) renforcé fibre de carbone, Scheurer a imprimé les cages en pièces et les a collées ensemble. Chaque cage atteignait jusqu'à 630 mm de diamètre. Ce qui aurait pris des semaines avec le moulage a été complété en seulement trois jours, offrant un système de direction plus fluide et plus réactif.

Roulements imprimés en 3D métalliques légers pour l'aérospatial

Le spécialiste allemand Franke GmbH a relevé le défi de produire un roulement à fil pour un lit de patient d'hélicoptère de sauvetage, avec une limite de poids stricte de 800 g et la nécessité de résister à de sévères turbulences. La fabrication conventionnelle ne pouvait pas y parvenir.

En appliquant l'optimisation topologique et une structure en treillis complexe, Franke a généré une conception qui ne pouvait être réalisée que par impression 3D métallique. Le roulement final en aluminium a répondu aux critères de poids et de performance et a été installé avec succès dans des aéronefs prêts au vol, soulignant le rôle de la fabrication additive dans la réduction de poids pour l'aérospatial.

Un regard vers l'avenir

L'impression 3D accorde aux fabricants de roulements la liberté de prototyper et produire des composants haute performance sans le fardeau financier de l'outillage. La technologie élargit également les choix de matériaux — des polymères flexibles aux métaux haute résistance — permettant des caractéristiques impossibles avec les processus traditionnels.

Alors que l'industrie adopte la fabrication additive, elle est en passe de devenir la norme pour produire des séries de petite à moyenne taille de roulements, offrant des avantages tangibles en coût, performance et durabilité.

Dans notre prochain article, nous explorerons l'impression 3D pour les vélos. Restez à l'écoute !